郝立波，田 密，趙玉巖，陸繼龍，孫立吉，趙新運

吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

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吉林紅旗嶺主要成礦巖體輝石地球化學特征及其意義

郝立波，田 密，趙玉巖，陸繼龍，孫立吉，趙新運

吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

吉林紅旗嶺銅鎳硫化物礦床是我國第二大巖漿型銅鎳硫化物礦床。為查明其巖漿來源、結晶溫壓條件等，通過薄片鑒定及電子探針分析方法對紅旗嶺成礦巖體輝石化學成分特征進行了研究。結果表明：紅旗嶺單斜輝石全部為普通輝石，斜方輝石均為古銅輝石；輝石成分變化較大，普遍富鎂貧鐵，總體上表現出低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征；單斜輝石Di端元比例變化較大，具有由富鎂向富鈣方向演化的趨勢，與世界上一些典型鎂鐵——超鎂鐵巖體單斜輝石的演化趨勢明顯不同。紅旗嶺主要成礦巖體母巖漿屬于拉斑玄武質巖漿，為幔源巖漿，分異程度較高。輝石溫壓計算結果表明，紅旗嶺主要成礦巖體輝石結晶溫度為1 100～1 250 ℃，巖體形成深度為12.3～20.7 km。

輝石；地球化學；結晶溫壓條件；紅旗嶺；銅鎳礦床

0 引言

紅旗嶺銅鎳硫化物礦床是我國第二大巖漿型銅鎳硫化物礦床，因其獨特的地質特征一直備受研究者的關注。紅旗嶺礦床的科研工作起步較早：武殿英[1]、傅德彬等[2]和秦寬等[3]先后對紅旗嶺礦床地質特征和成因進行了研究；郗愛華等[4]對紅旗嶺礦床進行了巖石學和地球化學特征研究，探討了該礦床的成巖成礦機制；柴社立等[5]對紅旗嶺礦區(qū)含礦與不含礦巖體進行了地質地球化學對比研究，提出了成礦巖體地球化學判別標志。目前，對紅旗嶺礦床的研究已經較為深入，但是其礦物學方面的研究還較為薄弱。筆者對紅旗嶺主要成礦巖體造巖礦物——單斜輝石和斜方輝石進行了研究，主要從礦物學、化學成分及結晶溫壓條件等方面進行闡述，并在某些方面與國內及世界上大型同類礦床進行了對比分析，旨在揭示紅旗嶺主要成礦巖體的成巖成礦物理化學條件及母巖漿性質，以期為紅旗嶺成礦巖體的成巖成礦機理的研究提供依據，并為礦床成因的探討及找礦勘探提供一定的參考。

1 紅旗嶺主要成礦巖體地質特征

紅旗嶺礦床位于吉林省磐石市紅旗嶺鎮(zhèn)，距離磐石市40 km。大地構造位置處于中朝準地臺遼東臺隆的北部與天山——興安地槽褶皺區(qū)吉黑褶皺系南部的交匯處。礦區(qū)內出露地層主要為下古生界寒武——奧陶系呼蘭群黃鶯屯組和小三個頂子組。

黃鶯屯組呈北西向展布于礦床西部，主要由角閃斜長片麻巖、黑云母片麻巖以及大理巖組成，并夾有云母片巖、角閃片巖和黑云斜長片麻巖。黃鶯屯組由上到下按層序分為2段：上段主要由黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、云母片巖和大理巖組成，是紅旗嶺礦區(qū)Ⅱ巖帶的主要圍巖；下段主要由黑云母片麻巖夾少量的角閃片巖組成，是紅旗嶺礦區(qū)Ⅰ巖帶的主要圍巖，本區(qū)的含礦巖體侵位于該組下段的黑云母片麻巖中。

小三個頂子組主要分布于礦區(qū)東部，整合覆蓋于黃鶯屯組之上，呈北西向展布于明德屯——白石砬子屯一線以東。該組巖性由云母片麻巖、大理巖、硅質條帶大理巖、石榴石云母片麻巖、角閃斜長片麻巖、石英云母片巖、黑云母斜長片麻巖組成，是紅旗嶺礦區(qū)Ⅲ巖帶的主要圍巖[6]。

紅旗嶺礦區(qū)鎂鐵——超鎂鐵質巖體眾多，已發(fā)現鎂鐵——超鎂鐵質巖體30多個，巖體集中分布于Ⅰ巖帶、Ⅱ巖帶和Ⅲ巖帶3個巖帶中(圖1)。紅旗嶺主要成礦巖體1號、2號、3號和7號巖體均分布于Ⅰ巖帶中。7號巖體為大型銅鎳硫化物礦床，1號、2號和3號巖體為中型銅鎳硫化物礦床[7]。同位素年代學研究表明，紅旗嶺成礦巖體均形成于晚三疊世[8-13]，為印支晚期巖漿活動的產物。

1.燕山期花崗巖；2.海西期花崗巖；3.閃長巖；4.大理巖；5.片麻巖；6.大型銅鎳礦床；7.中型銅鎳礦床；8.鎂鐵——超鎂鐵巖體及編號；9.石英斑巖；10.正斷層；11.逆斷層；12.推測斷層。 圖1 紅旗嶺礦區(qū)地質簡圖Fig.1 Simplified geological map of Hongqiling area

1號巖體位于Ⅰ巖帶中段，巖體出露面積約為0.2 km2，呈透鏡狀產出。該巖體是一個多巖相巖體，自上而下可劃分為4個巖相，分別為輝長巖相、輝石巖相、輝石橄欖巖相及橄欖輝石巖相；各主要巖相呈漸變過渡關系，輝石橄欖巖相為該巖體的主體巖相，也是主要含礦巖相。另外，在巖體中還常見有脈狀、不規(guī)則狀的輝長偉晶巖和閃長偉晶巖等。

2號巖體位于1號巖體北西側，出露面積約為0.3 km2，平面上呈透鏡狀。巖體上部較緩，下部近于直立。該巖體分異良好，巖相組合與1號巖體相似，其中橄欖輝石巖相是巖體中深部的主要巖相，也是主要含礦巖相。

3號巖體分布于Ⅰ巖帶中部，與1號巖體相鄰的南西側，出露面積約為0.25 km2，平面上呈北寬南窄的透鏡狀，剖面上呈陡直的巖墻狀。該巖體為一復式巖體，主要由輝長巖相、角閃輝石巖相和橄欖輝石巖相組成，輝石橄欖巖相呈脈狀侵入主體巖相中。其中，角閃輝石巖相為主體巖相，也是主要含礦巖相。

7號巖體位于Ⅰ巖帶東南端，出露面積約0.013 km2，呈狹長帶狀，東西向展布，剖面上呈巖墻狀。該巖體為多期侵入的復式巖體，主體為輝石巖相，全巖普遍礦化。在巖體中段靠下盤部位，常見有脈狀的含礦橄欖巖相。

2 輝石礦物學特征

單斜輝石和斜方輝石普遍發(fā)育于紅旗嶺主要成礦巖體主體巖相中。在橄欖輝石巖相中，單斜輝石的體積分數為40%～60%；在角閃輝石巖相中，單斜輝石的體積分數為50%～65%；在輝石巖相中，單斜輝石的體積分數為55%～70%；在輝石橄欖巖相中，單斜輝石的體積分數為10%～20%。在上述巖相中，斜方輝石的體積分數分別為：20%～30%、10%～15%、10%～25%、5%～20%。

單斜輝石常呈半自形柱狀——他形粒狀，多數發(fā)生蛇紋石化、次閃石化;無色，吸收性明顯，斜消光，負延性，干涉色二級藍綠，可見簡單雙晶和復式雙晶。斜方輝石呈半自形柱狀——他形粒狀，多數已經發(fā)生滑石化、蛇紋石化等，但保留輝石晶形，平行消光，干涉色二級藍。根據薄片中礦物結構、礦物之間的關系(圖2)，總結出礦物的結晶順序大致為：橄欖石→斜方輝石、單斜輝石→斜長石。

a.含長輝石橄欖巖，交代結構；b.輝石橄欖巖，包橄結構；c.橄欖輝石巖，粒狀變晶結構，交代結構；d.含長橄欖輝石巖，粒狀變晶結構，交代結構。Cpx.單斜輝石；Opx.斜方輝石；Ol.橄欖石；Pl.斜長石。圖2 紅旗嶺主要成礦巖體輝石典型顯微結構圖Fig.2 Selected pictures showing typical microstructures of pyroxenes in major metallogenic intrusions of Hongqiling

3 樣品采集與分析

樣品采集于礦區(qū)內主要成礦巖體的主體含礦巖相中。其中：1號巖體采樣位置均位于1號巖體采坑中，巖性為輝石橄欖巖；2號巖體采集于巖心，深度分別為200、229、406、414 m，巖性為橄欖巖和輝長巖；3號巖體樣品采集于巖心，深度分別為482、539、576 m，巖性為含長輝巖；7號巖體采樣位置均位于7號巖體采坑，巖性為輝石巖。

由于輝石大部分蝕變強烈，為了避免蝕變樣品對分析的準確度造成干擾，因此選取了較新鮮的樣品進行輝石電子探針成分分析。

輝石成分分析由中國科學院地質與地球物理研究所電子探針實驗室完成。分析儀器：日本JEOL公司生產的JXA-8100型電子探針儀。分析條件：加速電壓15 kV，電流20 nA，分析束斑直徑為5 μm。分析時所用標樣為天然或合成硅酸鹽礦物和氧化物，檢出限約為0.01%。

4 結果與討論

4.1 輝石化學成分

紅旗嶺成礦巖體輝石的化學成分變化較大，總體表現出富鎂貧鐵及低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征。單斜輝石Mg#值為79.05～89.36，斜方輝石Mg#值為79.47～92.95(表1，表2)，與新疆喀拉通克銅鎳硫化物礦床成礦巖體輝石(單斜輝石Mg#=61.47～83.87，斜方輝石Mg#=69.27、71.79)[14]和甘肅金川銅鎳硫化物礦床成礦巖體輝石(單斜輝石Mg#=83.33～85.71，斜方輝石Mg#=77.84～87.18)[15]相比，紅旗嶺成礦巖體輝石Mg#值較高，且變化范圍較大。

根據Morimoto[16]輝石分類命名方案，紅旗嶺單斜輝石全部為普通輝石，斜方輝石均為古銅輝石。而喀拉通克成礦巖體的單斜輝石主要以普通輝石為主，含少量透輝石。金川成礦巖體單斜輝石全部為普通輝石(圖3)。

表1 研究區(qū)單斜輝石化學成分及端元組分計算

注： KL*引自文獻[14]；JC*引自文獻[15]；Mg#=w(Mg)/w(Mg+Fe)。

紅旗嶺主要成礦巖體單斜輝石Di端元比例變化較大，呈現出由富鎂向富鈣方向演化的趨勢。而世界上一些同類礦床，如分異程度較好的Skaergaard和Bushveld，以及分異程度較差的Jimberlana[18]和我國的喀拉通克銅鎳硫化物礦床，其單斜輝石呈現出由富鎂向富鐵方向演化的趨勢(圖3)。紅旗嶺成礦巖體單斜輝石的演化趨勢明顯不同于上述巖體。已有研究表明，紅旗嶺巖漿在上侵過程中經歷過同化混染作用[12,19]，推測紅旗嶺成礦巖體單斜輝石的演化特點可能是遭受了富鈣質巖石的同化混染所致。

表2 研究區(qū)斜方輝石化學成分及端元組分計算

注：KL*引自文獻[14]；JC*引自文獻[15]；Mg#=w(Mg)/w(Mg+Fe)。

紅旗嶺成礦巖體單斜輝石和斜方輝石主要氧化物質量分數分別列于表1和表2。

HQ1.紅旗嶺1號巖體；HQ2.紅旗嶺2號巖體；HQ3.紅旗嶺3號巖體；HQ7.紅旗嶺7號巖體；KL.喀拉通克巖體；JC.金川巖體；-C表示單斜輝石；-O表示斜方輝石。1.Jimberlana巖體；2.Skaergaard巖體；3.Bushveld巖體；數據來自Campbell和Borley[17]。虛線代表輝石組分變化，點線代表Cpx-Opx共結線。Di.透輝石；Hd.鈣鐵輝石；Au.普通輝石；En.古銅輝石；Fs.鐵紫蘇輝石；Wo.硅灰石。圖3 單斜輝石端元組分分類圖解Fig.3 Classification diagram of clinopyroxenes

在w(Al2O3)-w(TiO2)圖解(圖4a)中，紅旗嶺成礦巖體單斜輝石的演化特征與喀拉通克和金川成礦巖體單斜輝石的演化特征相似，均表現出較明顯的正相關關系。不同的是，紅旗嶺單斜輝石斜率較大，而喀拉通克和金川單斜輝石斜率較小。這種相關性是由于Al在替代四面體晶格中Si時需要Ti來平衡電荷導致的。紅旗嶺單斜輝石中的Al在替代四面體晶格中Si時，有少量的Ti用來平衡電荷，相比之下，喀拉通克和金川單斜輝石中用來平衡電荷的Ti較多。

在w(CaO)-w(MgO)圖解(圖4b)中，紅旗嶺和喀拉通克單斜輝石均表現出較明顯的負相關關系，紅旗嶺單斜輝石斜率較小，喀拉通克單斜輝石斜率較大。而金川單斜輝石成分變化較小，沒有表現出明顯的相關關系。其他氧化物之間沒有明顯的相關性。

4.2 母巖漿性質

圖4 單斜輝石氧化物相關性圖解Fig. 4 Oxide diagram of clinopyroxene

已有學者根據巖石化學和微量元素對紅旗嶺巖體原始巖漿性質和產出的構造環(huán)境進行了研究[20]，認為紅旗嶺巖體母巖漿為拉斑玄武質，形成于以拉張性為特征的構造環(huán)境中。研究表明，單斜輝石的成分也可以很好地反映母巖漿的成分特點[21-23]。筆者利用單斜輝石的成分特征對紅旗嶺主要成礦巖體母巖漿成分進行了分析。

紅旗嶺主要成礦巖體單斜輝石具有低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征，這與拉斑玄武巖中單斜輝石特點相似[21]。在單斜輝石w(SiO2)-w(Al2O3)圖解(圖5)中，紅旗嶺單斜輝石樣品全部落入亞堿性巖區(qū)，暗示其母巖漿可能為亞堿性巖漿；在單斜輝石SiO2-Na2O-TiO2圖解(圖6)中，樣品大部分位于拉斑玄武巖系列，極少量處于堿性——過堿性系列，這可能是由巖漿強烈分異所致。因此認為，紅旗嶺巖體母巖漿屬于拉斑玄武質巖漿，巖漿分異作用較為強烈。這與前人的研究結果相吻合。

4.3 輝石結晶溫度和壓力

4.3.1 結晶溫度

目前，根據輝石成分計算結晶溫度的方法較多：馬鴻文[25]在前人的研究基礎上，提出了修正的單斜輝石與溫度的關系式；Wood和Banno[26]建立了簡單的Di-En端元的溶解模型，依據反應的焓變推出了溫度的計算公式；Wells[27]依據修改的實驗數據升級了該溫壓計，計算結果更接近真實的溫度信息；Thompson[28]采用天然富橄欖石堿性玄武巖巖粉合成了高壓普通輝石，給出了Al含量與溫度之間的關系式；Gasprik[29]依據二輝石之間Mg2Si2O6、CaMgSi2O6和CaAl2SiO6組分的平衡，根據CMAS系統的實驗數據提出了二輝石溫度計-壓力計圖解。

筆者采用上述各種方法計算的輝石結晶溫度列于表3。結果表明，幾種方法計算的數值相差不大。馬鴻文的單斜輝石法計算的溫度略高于其他方法，約為1 200～1 350 ℃；Wood和Banno與Wells二輝石溫度計法計算結果相近，約為1 100～1 200℃；Gasparik和Tompson法計算的結果較為接近，約為1 200～1 250 ℃。綜合以上結果，紅旗嶺成礦巖體輝石的結晶溫度約為1 100～1 250 ℃?？顺傻V巖體輝石結晶溫度約為1 140～1 230 ℃，金川成礦巖體輝石的結晶溫度約為1 120～1 200 ℃。紅旗嶺與喀拉通克、金川成礦巖體輝石的結晶溫度相差不大。

圖例同圖4。圖5 單斜輝石w(SiO2)-w(Al2O3)圖解(底圖據文獻[24])Fig.5 w(SiO2)-w(Al2O3) diagram of clinopyroxene (base map according to reference [24])

T.拉斑玄武巖系列；A+P.堿性及過堿性系列。圖例同圖4。圖6 單斜輝石SiO2-Na2O-TiO2圖解(底圖據文獻[21])Fig.6 SiO2-Na2O-TiO2 diagram of clinopyroxene (base map according to reference [21])

輝石是紅旗嶺成礦巖體的主要造巖礦物，分布廣泛，其結晶的溫度和壓力基本可以代表各巖體主體相冷凝固結的平均溫度。

4.3.2 成巖壓力

目前適用于鎂鐵——超鎂鐵巖成巖壓力估算的地質壓力計不多，且重現性較差。根據紅旗嶺主要成礦巖體礦物組合特點，筆者采用Gasparik方法對紅旗嶺主要成礦巖體成巖壓力進行了估算，結果列于表4。其中深度估算采用的靜巖壓力梯度為30 MPa/km。

結果表明，紅旗嶺主要成礦巖體成巖壓力為0.37～0.62 GPa，形成深度為12.3～20.7 km。按同樣方法估算新疆喀拉通克成礦巖體的成巖壓力為0.23～0.45 GPa，形成深度為7.7～13.3 km;甘肅金川成礦巖體的成巖壓力力為0.51～0.99,形成深度為17.0～33.0 km。紅旗嶺成礦巖體形成深度明顯大于新疆喀拉通克成礦巖體，低于甘肅金川成礦巖體。

本文對紅旗嶺成礦巖體成巖壓力的估算結果與以往計算結果有較大差別。武殿英[1]計算結果為：1號巖體0.17～0.20 GPa，7號巖體0.17～0.19 GPa。筆者認為，紅旗嶺成礦巖體形成于印支期，侵入于下古生界寒武——奧陶系呼蘭群小三個頂子組和黃鶯屯組，其上部的地層總厚度約為20 km，估算結果與地質推斷的巖體侵位深度基本吻合，估算的成巖深度可靠性較高。

表3 輝石結晶溫度

表4 主要巖體成巖壓力和深度

Table 4 Rock-forming pressure and depth of major intrusions

巖體名稱壓力/GPa深度/km紅旗嶺1號巖體0.5719.0紅旗嶺2號巖體0.4515.0紅旗嶺3號巖體0.3712.3紅旗嶺7號巖體0.6220.7喀拉通克巖體0.23～0.457.7～13.3金川巖體0.51～0.9917.0～33.0

5 結論

通過對紅旗嶺主要成礦巖體輝石地球化學特征的研究，發(fā)現該礦區(qū)主要成礦巖體單斜輝石全部為普通輝石，斜方輝石均為古銅輝石。并且輝石化學成分變化較大，具有富鎂貧鐵及低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征。單斜輝石Di端元的比例變化非常大，顯示出與世界上一些典型鎂鐵——超鎂鐵巖體單斜輝石不同的成分變化趨勢。

紅旗嶺主要成礦巖體母巖漿屬于拉斑玄武質，巖漿分異程度較高，經歷了強烈的富鈣質巖石的同化混染作用。輝石溫壓計計算結果表明：主要成礦巖體輝石結晶溫度約為1 100～1 250 ℃，巖體形成深度為12.3～20.7 km。成巖深度的估算結果與以往估算結果差別較大，但從地質特征來看，本文采用Gasparik方法的估算結果較為可靠。

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Geochemical Characteristics and Significance of Pyroxene from Major Metallogenetic Intrusions in Hongqiling, Jilin Province,China

Hao Libo，Tian Mi，Zhao Yuyan，Lu Jilong，Sun Liji，Zhao Xinyun

CollegeofGeoExplorationSciencesandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

The Hongqiling Cu-Ni sulfide deposit is a magmatic deposit that ranks second in China. In order to investigate the source of magma and temperature & pressure conditions of crystallization，the chemical composition of the pyroxene in metallogenetic intrusions of Hongqiling was studied by rock slice identification and electron probe analysis. The results show that all clinopyroxene minerals are augite, and orthopyroxenes are all bronzite. The chemical compositions of the pyroxene change widely and the pyroxene is charactered by enrichment in Mg and depleting of Fe, with low content of TiO2，Al2O3and Na2O. The Di-endmember of the clinopyroxene changes widely with the evolution from Mg-enrichment to Ca-enrichment，which shows a different variation tendency with the clinopyroxene from other typical mafic-ultramafic intrusions in the world. The source of magma was mantle-derived basalt magma, with high degree of differentiation. According to pyroxene thermobarometer, the crystallization temperature of the pyroxene in major metallogenetic intrusions of Hongqiling is estimated to 1 100-1 250 ℃ and the rock-forming depth is around 12.3-20.7 km.

pyroxene；geochemistry；temperature and pressure conditions of crystallization；Hongqiling；Cu-Ni sulfide deposit

10.13278/j.cnki.jjuese.201501108.

2014-07-17

全國危機礦山接替資源找礦項目(20089941)；國家深部探測技術與實驗研究專項項目(SinoProbe-04-05-02)

郝立波(1961——)，男，教授，博士生導師，主要從事地球化學研究工作，E-mail:haolb@tom.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501108

P618.3

A

郝立波，田密，趙玉巖，等.吉林紅旗嶺主要成礦巖體輝石地球化學特征及其意義.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(1):95-105.

Hao Libo,Tian Mi,Zhao Yuyan,et al.Geochemical Characteristics and Significance of Pyroxene from Major Metallogenetic Intrusions in Hongqiling, Jilin Province,China.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):95-105.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501108.